JP2017177199A

JP2017177199A - レーザ肉盛用ノズル

Info

Publication number: JP2017177199A
Application number: JP2016071417A
Authority: JP
Inventors: 耕平谷中; Kohei Yanaka; 佐藤　彰生; Akio Sato; 彰生佐藤; 信吾岩谷; Shingo Iwatani
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP6485396B2

Abstract

【課題】アウタノズルの先端部へのスパッタの付着をより確実に抑制できるレーザ肉盛用ノズルを提供する。【解決手段】筒状の形状を有し、当該筒の内部をレーザ光が通過するインナノズル１０１と、銅又は銅合金から形成され、インナノズル１０１に外嵌されているアウタノズル１０２と、を備え、インナノズル１０１とアウタノズル１０２との間を金属粉が通過する、レーザ肉盛用ノズル１００であって、アウタノズル１０２は、内周面にのみ、耐摩耗めっき膜１０４を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ肉盛用ノズルに関する。

特許文献１には、レーザ光が通過するレーザ通路を有するインナノズルと、当該インナノズルに外嵌されるアウタノズルとを備え、インナノズルとアウタノズルとの間を金属粉が通過するレーザ肉盛用ノズルが記載されている。

特開２０１５−１３１３１９号公報

レーザが被加工物の表面に照射されると、当該被加工物の表面が溶融して、溶融池が形成される。当該溶融池に不活性ガスとともに金属粉が噴射されると、溶融池から、溶融金属が玉状に凝固したスパッタが飛散する。そして、飛散した高温のスパッタは、アウタノズルの表面に付着する場合がある。そこで、スパッタの付着を抑制するため、アウタノズルは水冷されていると共に熱伝導性の良い銅や銅合金から形成されている。

また、アウタノズルとインナノズルの間を金属粉が通過することによって生じる摩耗を抑制するため、アウタノズルの表面は、全体に、耐摩耗めっきが施されている。耐摩耗めっき膜は、例えば、ニッケルやクロム等からなるため、銅や銅合金からなるアウタノズル本体に比べて熱伝導性に劣る。そのため、アウタノズルの先端部にスパッタが付着しやすくなるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、アウタノズルの先端部へのスパッタの付着をより確実に抑制できるレーザ肉盛用ノズルを提供することを目的とするものである。

本発明にかかるレーザ肉盛用ノズルは、インナノズルと、アウタノズルと、を備える。前記インナノズルは、筒状の形状を有し、当該筒の内部をレーザ光が通過する。前記アウタノズルは、銅又は銅合金から形成され、前記インナノズルに外嵌されている。また、前記インナノズルと前記アウタノズルとの間を金属粉が通過する。そして、前記アウタノズルは、内周面にのみ、耐摩耗めっき膜を有する。

本発明にかかるレーザ肉盛用ノズルによれば、耐摩耗めっき膜はアウタノズルの内周面のみに形成されているため、アウタノズルの先端部の表面の素材は、熱伝導性の良い銅又は銅合金となる。そのため、アウタノズルの先端部の表面の温度も水冷により好適に下げられる。これにより、アウタノズルの先端部へのスパッタの付着をより確実に抑制できるレーザ肉盛用ノズルを提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかるレーザ肉盛用ノズルを側方から見た部分断面図である。本発明の実施の形態１にかかるアウタノズル部を示す断面図である。本発明の実施の形態１にかかるレーザ肉盛用ノズルの先端部へのスパッタの付着を示す写真である。従来のレーザ肉盛用ノズルの先端部へのスパッタの付着を示す写真である。本発明の実施の形態２にかかるアウタノズル部を示す断面図である。本発明の実施の形態２にかかるレーザ肉盛用ノズルの先端部へのスパッタの付着を示す写真である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかるレーザ肉盛用ノズル１００を側方から見た部分断面図である。レーザ肉盛用ノズル１００は、レーザ加工ヘッド（不図示）に接続されて、使用される。実施の形態１にかかるレーザ肉盛用ノズル１００は、図１に示すように、インナノズル１０１、アウタノズル１０２を備えている。

インナノズル１０１は、略筒状の形状を有している。また、インナノズル１０１の当該筒の内部をレーザ光が通過する。また、インナノズル１０１の内径及び外径は、レーザ肉盛用ノズル１００の先端側に向かうにつれて、徐々に小さくなっている。

アウタノズル１０２は、銅、銅合金等の熱伝導性の良い材質から形成されている。そして、アウタノズル１０２は、レーザ加工ヘッドから供給される冷却水によって水冷されている。これにより、被加工物の表面における加工点から受ける輻射熱によって、アウタノズル１０２が高温となるのを防ぐことができる。アウタノズル１０２の先端部が高温の場合、被加工部の表面に生成された溶融池から飛散した溶融金属が玉状に凝固したスパッタがアウタノズル１０２の先端部にぶつかった際に再度溶融し、アウタノズル１０２の先端部に付着してしまう。そこで、スパッタが付着することを防ぐため、アウタノズル１０２を水冷している。
また、アウタノズル１０２は、略筒状の形状を有している。また、アウタノズル１０２の当該筒の内部に、インナノズル１０１が挿入可能となっている。換言すれば、アウタノズル１０２は、インナノズル１０１に外嵌されている。

また、インナノズル１０１の軸心及びアウタノズル１０２の軸心は、レーザ肉盛用ノズル１００の軸心Ｌと一致している。換言すれば、インナノズル１０１とアウタノズル１０２とは同軸となっている。そして、インナノズル１０１の外周面とアウタノズル１０２の内周面との間には、不活性ガス及び金属粉が通過する隙間１０３が形成されている。

また、アウタノズル１０２は、図１に示すように、本体部１０２Ａ、アウタノズル部１０２Ｂを備えている。本体部１０２Ａの上端は、レーザ加工ヘッドに接続されている。また、本体部１０２Ａの下端は、アウタノズル部１０２Ｂの上端に接続されている。

本体部１０２Ａは、レーザ加工ヘッドのフィーダ（不図示）と連結可能な供給路１０２Ｃを備えている。図１では、供給路１０２Ｃは、レーザ肉盛ノズル１００の軸心Ｌに対して所定角度傾斜している。また、供給路１０２Ｃの下端は、インナノズル１０１の外周面とアウタノズル１０２の内周面との間の隙間１０３の上端と連結されている。これにより、レーザ加工ヘッドのフィーダから供給された不活性ガス及び金属粉は、供給路１０２Ｃを通過した後、インナノズル１０１の外周面とアウタノズル部１０２Ｂの内周面との間の隙間１０３を通過し、レーザ肉盛ノズル１００の先端から被加工物の表面へと噴射される。図１において、不活性ガス及び金属粉の流れの方向を破線で示す。

アウタノズル部１０２Ｂは、略筒状の形状を有している。また、アウタノズル部１０２Ｂの内径及び外径は、レーザ肉盛用ノズル１００の先端側に向かうにつれて、徐々に小さくなっている。また、アウタノズル部１０２Ｂの内周面は、インナノズル１０１の対応する外周面と実質的に相似となっている。そして、アウタノズル部１０２Ｂの内周面とインナノズル１０１の外周面との間の隙間は、不活性ガス及び金属粉が通過する隙間１０３の下側隙間１０３Ｂを構成する。

隙間１０３は、上側隙間１０３Ａ、下側隙間１０３Ｂを備える。上側隙間１０３Ａは、アウタノズル１０２の本体部１０２Ａの内周面とインナノズル１０１の対応する外周面との間の隙間である。また、下側隙間１０３Ｂは、アウタノズル１０２のアウタノズル部１０２Ｂの内周面とインナノズル１０１の対応する外周面との間の隙間である。また、上側隙間１０３Ａは、レーザ肉盛用ノズル１００の軸心Ｌと略平行に延びている。一方、下側隙間１０３Ｂは、レーザ肉盛用ノズル１００の軸心Ｌに対して所定角度傾斜している。また、下側隙間１０３Ｂの幅は、上側隙間１０３Ａの幅よりも小さい。

図２に、本実施の形態１にかかるアウタノズル１０２のアウタノズル部１０２Ｂの断面を示す。図２に示すように、アウタノズル部１０２Ｂは、内周面にのみ、耐摩耗めっき膜１０４を有する。より具体的には、アウタノズル部１０２Ｂの内周面の、アウタノズル部１０２Ｂの先端から所定距離上側までを除いた部分に、耐摩耗めっき膜１０４が形成されている。より具体的には、アウタノズル部１０２Ｂの内周面の、インナノズル１０１の外周面に対応する部分に、耐摩耗めっき膜１０４が形成されている。
なお、当該耐摩耗めっき膜１０４は、種々の成膜技術を用いてアウタノズル部１０２Ｂの内周面上に成膜される。また、耐摩耗めっき膜１０４が成膜される範囲は、マスクテープ等を用いて規定される。また、耐摩耗めっき膜１０４の膜厚は特に限定されないが、例えば、１０μｍである。

以上に説明した実施の形態１にかかるレーザ肉盛ノズル１００によれば、耐摩耗めっき膜１０４はアウタノズル部１０２Ｂの内周面のみに形成されているため、アウタノズル１０２の先端部の表面の素材は、熱伝導性の良い銅又は銅合金となる。そのため、アウタノズル１０２の先端部の表面の温度も水冷により好適に下げられる。これにより、アウタノズル１０２の先端部へのスパッタの付着をより確実に抑制できるレーザ肉盛用ノズル１００を提供することができる。

図３に示す写真は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ肉盛用ノズル１００の先端部へのスパッタの付着を示す。また、図４に示す写真は、従来のレーザ肉盛用ノズルの先端部へのスパッタの付着を示す。図３に示すように、レーザ肉盛用ノズル１００の被加工物の表面に対向する先端面１０２Ｄへのスパッタの若干の付着は認められるものの、従来のレーザ肉盛用ノズルへのスパッタの付着に比べて、スパッタの付着は減少していることが分かる。

また、耐摩耗めっき膜１０４は、アウタノズル部１０２Ｂの内周面の、アウタノズル部１０２Ｂの先端から所定距離上側までを除いた部分に形成されている。これにより、アウタノズル１０２の先端部の熱伝導性をさらに良くすることができ、アウタノズル１０２の先端部へのスパッタの付着をさらに抑制できる。

また、金属粉と接触するのはアウタノズル１０２の内周面であるため、当該内周面に形成された耐摩耗めっき膜１０４により、金属粉によるアウタノズル１０２の内周面の摩耗を抑制することができる。

実施の形態２．
次に、図５を参照して、実施の形態２にかかるレーザ肉盛用ノズル２００について説明する。実施の形態２にかかるレーザ肉盛用ノズル２００は、アウタノズル１０２のアウタノズル部１０２Ｅの形状のみが、実施の形態１にかかるレーザ肉盛用ノズル１００と異なる。そのため、同一の構成については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。

図５は、本実施の形態２にかかるアウタノズル１０２のアウタノズル部１０２Ｅの断面を示す。図５に示すように、アウタノズル部１０２Ｅは、内周面にのみ、耐摩耗めっき膜１０４を有する。より具体的には、アウタノズル部１０２Ｅの内周面の、アウタノズル部１０２Ｂの先端から所定距離上側までを除いた部分に、耐摩耗めっき膜１０４が形成されている。より具体的には、アウタノズル部１０２Ｅの内周面の、インナノズル１０１の外周面に対応する部分に、耐摩耗めっき膜１０４が形成されている。

また、アウタノズル部１０２Ｅの先端部は、アウタノズル部１０２Ｅの先端に向かうにつれて、アウタノズル部１０２Ｅの外径が徐々に小さくなるように、アウタノズル部１０２Ｅの肉厚が徐々に薄くなっている。換言すれば、アウタノズル部１０２Ｅの被加工物の表面に対向する先端面１０２Ｆは、レーザ肉盛用ノズル２００の軸心Ｌに対して、所定角度傾斜している。なお、当該先端面１０２Ｆの軸心Ｌに対する傾斜角度は、アウタノズル部１０２Ｅの形状、レーザ肉盛ノズル２００において使用される金属粉の種類、金属粉が被加工物へ噴射される速度や角度等によって、適宜決定される。例えば、先端面１０２Ｆの軸心Ｌに対する傾斜角度はなるべく鋭角であることが望ましい。しかし、当該傾斜角度が鋭角になる程、アウタノズル１０２の先端が薄肉になり、変形しやすくなる。そのため、アウタノズル１０２の先端の強度が保たれる程度に、先端面１０２Ｆの軸心Ｌに対する傾斜角度が鋭角であることが望ましい。当該傾斜角度は、例えば、４５°であるが、これに限定されるものではない。

以上に説明した実施の形態２にかかるレーザ肉盛用ノズル２００によれば、実施の形態１にかかるレーザ肉盛用ノズル１００と同様の効果が得られるのは勿論のこと、アウタノズル１０２のアウタノズル部１０２Ｅの先端面１０２Ｆが、レーザ肉盛用ノズル２００の軸心Ｌに対して傾斜している。そのため、溶融池からのスパッタの飛散方向に面する先端面１０２Ｆの面積を減少させることができる。これにより、レーザ肉盛用ノズル２００の先端部へのスパッタの付着をより一層抑制することができる。

図６に示す写真は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ肉盛用ノズル２００の先端部へのスパッタの付着を示す。図６に示すように、レーザ肉盛用ノズル１００の被加工物の表面に対向する先端面１０２Ｆへのスパッタの付着はさらに減少していることが分かる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００、２００レーザ肉盛用ノズル
１０１インナノズル
１０２アウタノズル
１０２Ａ本体部
１０２Ｂアウタノズル部
１０２Ｃ供給路
１０２Ｄ先端面
１０２Ｅアウタノズル部
１０２Ｆ先端面
１０３隙間
１０３Ａ上側隙間
１０３Ｂ下側隙間

Claims

筒状の形状を有し、当該筒の内部をレーザ光が通過するインナノズルと、
銅又は銅合金から形成され、前記インナノズルに外嵌されているアウタノズルと、
を備え、
前記インナノズルと前記アウタノズルとの間を金属粉が通過する、レーザ肉盛用ノズルであって、
前記アウタノズルは、内周面にのみ、耐摩耗めっき膜を有する、レーザ肉盛用ノズル。